DE19608307C1 - Verfahren zur Herstellung von 1,4,7,10-Tetraazacyclododecan und dessen Derivaten - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von 1,4,7,10-Tetraazacyclododecan und dessen DerivatenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
1,4,7,10-Tetraazacyclododecan (Cyclen) und dessen Derivaten.
Das 1,4,7,10-Tetraazacyclododecan (Cyclen) findet breite
Anwendung sowohl als makrocyclischer Ligand wie auch als Edukt
bei der Herstellung verschiedener metallhaltiger pharmazeutisch
genutzter Komplexe, wie z. B. Gadobutrol (INN), Gadobenat (INN)
oder Gadoteridol (INN).
1,4,7,10-Tetraazacyclododecan wird in der Regel in einer
mehrstufigen Synthese durch Cyclokondensation von zwei linearen
Vorläufern hergestellt (J. Chem. Rev. 1989, 929; The Chemistry
of Macrocyclic Ligand Complexes, Cambridge University Press,
Cambridge, U.K. 1989).
Nachteile dieser Methode sind die große Stufenzahl, eine
schlechte Gesamtausbeute sowie große Abfallmengen anorganischer
Salze, die während der Synthese anfallen.
Eine prinzipiell einfacher erscheinende Methode zur Herstellung
von 1,4,7,10-Tetraazacyclododecan bietet die Cyclotetra
merisierung von N-substituierten Aziridinen. In der Literatur
werden verschiedene Varianten dieser Reaktion beschrieben.
Dabei wird zunächst aus Benzylethanolamin das entsprechende
N-substituierte Aziridin hergestellt und isoliert. Das Aziridin
wird anschließend in Gegenwart von Brönsted-Säuren wie z. B.
p-TsOH (J. Heterocyclic Chem. 1968, 305) oder Lewis Säuren wie
Trialkylaluminium (US Pat. 3,828,023) oder BF₃-Etherat (Tetra
hedron Letters, 1970, 1367) in geringer Ausbeute cyclotetra
merisiert. Obgleich das Verfahren nur zur Herstellung kleiner
Mengen (< 5 g) durchführbar ist, bildet es noch 16 Jahre nach
der ersten Publikation den Stand der Technik (WO 95/31444).
Alle bisher beschriebene Cyclotetramerisierungsreaktionen
erfordern die Verwendung von reinen Aziridinen, die bekanntlich
starke mutagene und cancerogene Wirkung aufweisen (Roth,
Giftliste, VCH Weinheim). Aus diesem Grund findet die
Cyclotetramerisierug von Aziridinen, die die einfachste Methode
zur Herstellung von 1,4,7,10-Tetraazacyclododecan zu sein
scheint, keine praktische Anwendung in technischem Maßstab. Es
besteht daher ein großes Interesse an einem technisch
praktikablen, wenig umweltbelastenden und weitgehend
gefahrlosen Verfahren zur Herstellung von 1,4,7,10-Tetra
azacyclododecan.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein
praktikables Verfahren zur Herstellung von 1,4,7,10-Tetraaza
cyclododecan in technischem Maßstab bereitzustellen, das die
obigen Nachteile überwindet und insbesondere die Gefährdung des
Menschen durch mutagene und cancerogene Aziridinzwischenstufen
vermeidet.
Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst,
wie es in den Patentansprüchen gekennzeichnet ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll der Begriff
Cyclenderivate sowohl 1,4,7,10-Tetraazacyclododecan, als auch
solche Derivate umfassen, bei denen die Ethylenbrücken
Alkylsubstituenten aufweisen. So betrifft der Begriff
Cyclenderivat beispielsweise auch die Verbindungen
[2S-(2α,5α,8α,11α)]-2,5,8,11-Tetramethyl-1,4,7,10-tetraaza
cyclododecan und [2S-(2α,5α,8α,11α)]-2,5,8,11-Tetraethyl-
1,4,7,10-tetraazacyclododecan.
In analoger Weise soll der Begriff Tetrabenzylcyclenderivate im
Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl 1,4,7,10-Tetrabenzyl-
1,4,7,10-tetraazacyclododecan, als solche Derivate umfassen,
bei denen die Ethylenbrücken Alkylsubstituenten aufweisen.
Der Begriff Benzylaziridinderivat soll im Rahmen der
vorliegenden Erfindung Benzylaziridin, als auch solche Derivate
umfassen, bei denen der Aziridinring Alkylsubstituenten
aufweist. So betrifft der Begriff Benzylaziridinderivat
beispielsweise auch die Verbindungen (S)-1-Benzyl-2-methyl-aziridin
und (S)-1-Benzyl-2-ethyl-aziridin.
Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Herstellung von
gegebenenfalls alkylsubstituierten 1,4,7,10-Tetraazacyclododecan
derivaten durch Tetramerisierung entsprechender Edukte.
Bevorzugt betrifft die Erfindung die Herstellung von
1,4,7,10-Tetraazacyclododecan.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens geht von leicht
zugänglichem Benzylethanolamin aus, das durch Erwärmen mit
konz. Schwefelsäure in einem organischen Lösungsmittel (z. B.
Toluol, Cyclohexan, Heptan u. a.) und azeotrope Destillation des
dabei entstehende Wassers in den entsprechenden Schwefelsäure
ester überführt wird. Dieser wird mit wäßriger Lauge (z. B.
NaOH, KOH) erwärmt und das dabei entstehende Benzylaziridin in
einem zweiten Reaktionsgefäß, das zusammen mit dem ersten ein
geschlossenes System bildet, kontinuierlich azeotrop mit Wasser
abdestilliert. Die so gebildete wäßrige Benzylaziridin-Emulsion
kann, nach Verdünnung mit einem organischen Lösungsmittel
(z. B. Ethanol, Methanol, THF), durch kontinuierliche Zugabe von
mindestens 0,25 mol einer starken Säure pro mol Benzylaziridin
(d. h. equivalente Menge Säure bezogen auf das Produkt) über
raschenderweise vollständig zum Tetrabenzylcyclen umgesetzt
werden. Als organisches Lösungsmittel kann z. B. Ethanol,
Methanol oder Tetrahydrofuran (THF) verwendet werden. Als
starke Säure kann beispielweise para-Toluolsulfonsäure
(p-TsOH), Methansulfonsäure (MsOH), Schwefelsäure oder
BF₃-Etherat verwendet werden. Das Produkt wird nach Alka
lisieren des Reaktionsgemisches durch Kristallisation gewonnen
und anschließend in einem organischen Lösungsmittel (Ethanol,
Methanol, Isopropanol, THF) unter Zuhilfenahme eines
Katalysators (Pd/C) hydriert. Nach Filtrieren des Katalysators
und Abdestillieren des Lösungsmittels wird das 1,4,7,10-Tetra
azacyclododecan in einer Ausbeute von 45-60% der theoretischen
Gesamtausbeute erhalten.
Analog zu dieser Synthese kann auch alkylsubstituiertes
Benzylethanolamin eingesetzt werden, z. B. L-2-Benzylamino
propanol oder L-2-Benzylaminobutanol, um Cyclen-Derivate zu
erhalten, die Verzweigungen in den Ethylenbrücken aufweisen. In
einer bevorzugten Ausführungsform dieser Synthese wird
(S)-1-Benzyl-2-methyl-aziridin analog zum oben beschriebenen Prozeß
aus L-2-Benzylaminopropanol hergestellt und ohne Isolierung
durch Tetramerisierung zum [2S-(2α,5α,8α,11α)]-2,5,8,11-
Tetramethyl-1,4,7,10-tetrakis(benzyl)-1,4,7,10-tetraazacyclo
dodecan umgesetzt, aus dem durch Hydrierung das
[2S-(2α,5α,8α,11α)]-2,5,8,11-Tetramethyl-1,4,7,10-tetraaza
cyclododecan erhalten wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren der Cyclotetramerisierung der
Benzylaziridinderivate unterscheidet sich von den im Stand der
Technik bekannten Verfahren dadurch, daß keine Isolierung des
Aziridins in reiner Form erforderlich ist. Die beschriebene
Vorgehensweise erlaubt somit die Prozeßführung in einem
geschlossenen System und damit Vermeidung der Gefährdung von
Mensch und Umwelt durch das cancerogene Aziridin.
Im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten Verfahren
zur Cyclotetramerisierung von Benzylaziridin wird statt einer
katalytischen Menge einer Säure (p-TsOH, MsOH, Schwefelsäure,
BF₃-Etherat oder Trialkylaluminium) eine stöchiometrische Menge
(0,25-0,35 mol bezogen auf ein Mol Benzylaziridin) verwendet.
Bei Versuchen, eine Maßstabsvergrößerung der bekannten
Verfahren durchzuführen, um größere Mengen 1,4,7,10-Tetraaza
cyclododecan auf diesem Wege herstellen zu können, wurde unter
Anwendung von katalytischen Mengen p-TsOH bei der Umsetzung von
der in situ hergestellten Benzylaziridin-Emulsion lediglich 12-
25% der theoretischen Ausbeute erzielt. Es wurde nun gefunden,
daß überraschenderweise durch kontinuierliche Zugabe von 0,25
bis 0,35 Equivalenten p-TsOH (bezogen auf das Benzylaziridin)
bei 60-78°C innerhalb von 6-9 Stunden zu der azeotrop
abdestillierten Benzylaziridin-Emulsion die Ausbeute an
1,4,7,10-Tetrabenzyl-1,4,7,10-tetraazacyclododecan auf 60-65%
der theoretischen Ausbeute zu verbessern ist.
Weitere Vorteile dieses Verfahrens sind die hohe Gesamtausbeute
und geringere Abfallmengen (Na-Sulfat bei der Aziridinher
stellung und Toluol bei der Hydrierung) im Vergleich zu
bekannten Verfahren.
Die folgenden Beispiele sollen den Erfindungsgegenstand erläu
tern ohne ihn auf diese beschränken zu wollen.
Zu einer Lösung von 95 ml Benzylethanolamin in 690 ml Toluol
werden 53 ml konz. Schwefelsäure zugegeben. Die entstandene
Suspension wird 2 Stunden zum Sieden erhitzt. Das dabei
entstehende Wasser (14 ml) wird mit Hilfe eines Wasser
abscheiders abgetrennt. Nach Abkühlung auf 20°C wird das
Reaktionsgemisch mit 1300 ml Wasser versetzt, 10 min ausgerührt
und die organische Phase abgetrennt. Anschließend wird die
wäßrige Phase zu einer in einem zweiten Reaktionsgefäß
vorgelegten Lösung von 92,2 g NaOH in 95 ml Wasser zügig
zugegeben. Das Reaktionsgemisch wird zum Sieden erhitzt. Durch
eine Destillationsbrücke werden 880 g Wasser-N-Benzylaziridin-Emul
sion in einem dritten Reaktionsgefäß abdestilliert. Die
Emulsion wird mit 880 ml Ethanol versetzt und auf 60°C
erwärmt. Dazu wird eine Lösung von 38,0 g p-TsOH in 19 ml
Wasser innerhalb 8 Stunden über eine Dosierpumpe zugegeben.
Nach beendeter Zugabe wird zwei Stunden unter Rückfluß gekocht.
Anschließend wird das Reaktionsgemisch mit einer Lösung von
12,0 g NaOH in 20 ml Wasser versetzt. Das ausgefallene Produkt
wird filtriert und aus 600 ml 2 : 1 Ethanol-THF Gemisch
umkristallisiert. Das so erhaltene Tetrabenzylcyclen (53 g)
wird in 500 ml Isopropanol gelöst und mit 10 g Pd/C (10%) bei
80°C und 20 bar H₂-Druck hydriert. Nach Abfiltrieren des
Katalysators wird die Reaktionslösung eingeengt und das Produkt
aus Toluol umkristallisiert. Es werden 15,9 g (55% d. Th.)
Cyclen als farblose Kristalle erhalten. Schm. P. 110-112°C.
95 ml Benzylethanolamin werden wie im Beispiel 1 beschrieben
mit Schwefelsäure und anschließend mit NaOH umgesetzt. Die
erhaltene wäßrige N-Benzylaziridin-Emulsion wird mit 2,6 l
Ethanol versetzt und auf 50°C erwärmt. Dazu wird eine Lösung
von 29,3 g p-TsOH in 15 ml Wasser innerhalb 8 Stunden über eine
Dosierpumpe zugegeben. Nach beendeter Zugabe wird zwei Stunden
unter Rückfluß gekocht. Anschließend wird das Reaktionsgemisch
mit einer Lösung von 9,5 g NaOH in 20 ml Wasser versetzt. Das
ausgefallene Produkt wird filtriert und aus 600 ml 2 : 1 Ethanol-THF
Gemisch umkristallisiert. Das so erhaltene Tetrabenzyl
cyclen (55,7 g) wird in 500 ml Isopropanol gelöst und mit 10 g
Pd/C (10%) bei 80°C und 20 bar H₂-Druck hydriert. Nach
Abfiltrieren des Katalysators wird die Reaktionslösung
eingeengt und das Produkt aus Toluol umkristallisiert. Es
werden 15,9 g (58% d. Th.) Cyclen als farblose Kristalle
erhalten. Schm. P. 111-113°C.
Wie Beispiel 1, nur die Tetramerisierung wird mit 0,33 Eg.
Methansulfonsäure durchgeführt. Ausbeute 52% Cyclen. Schm. P.
110-112°C.
Vergleichende Übersicht über Bedingungen und Ausbeuten der Cyclensynthese durch Cyclotetramerisierung von Benzylaziridin | |
Bedingungen | |
Ausbeute | |
0,03 Eq. p-TsOH, 95% EtOH, Rfl. (analog zu Lit. 1*)|12-25% | |
0,33 Eq. p-TsOH, 50% EtOH, 60-80°C (Beispiel 1) | 55% |
0,25 Eq. p-TsOH, 95% EtOH, 50-80°C (Beispiel 2) | 58% |
0,33 Eq. p-TsOH, 50% EtOH, 70° (Beispiel 3) | 52% |
* Lit. 1: J. Heterocyclic Chem. 1968, 305.
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung von gegebenenfalls
alkylsubstituierten Cyclenderivaten durch Cyclo
tetramerisierung von gegebenenfalls alkylsubstituierten
Benzylaziridinderivaten, dadurch gekennzeichnet, daß
das Benzylaziridinderivat aus einem gegebenenfalls
alkylsubstituierten Benzylethanolaminderivat in situ durch
Umsetzung mit Schwefelsäure und anschließende Umsetzung
des entsprechenden Schwefelsäureesters mit wäßriger Lauge
erzeugt wird,
ohne Isolierung des Benzylaziridinderivates durch Zugabe
von 0,25-0,35 mol einer starken Saure pro Mol
Benzylaziridinderivat dieses zu einem Tetrabenzylcyclen
derivat tetramerisiert wird und
abschließend die Benzylgruppen durch katalytische
Hydrierung entfernt werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das gegebenenfalls alkylsubstituierte Cyclenderivat
1,4,7,10-Tetraazacyclododecan ist.
3. Verfahren zur Herstellung von gegebenenfalls
alkylsubstituierten Tetrabenzylcyclenderivaten durch
Cyclotetramerisierung von gegebenenfalls
alkylsubstituierten Benzylaziridinderivaten, dadurch
gekennzeichnet, daß
das Benzylaziridinderivat aus einem Benzylethanol
aminderivat in situ durch Umsetzung mit Schwefelsäure und
anschließende Umsetzung des entsprechenden Schwefel
säureesters mit wäßriger Lauge erzeugt wird und
ohne Isolierung des Benzylaziridinderivates durch Zugabe
von 0,25-0,35 mol einer starken Säure pro Mol
Benzylaziridinderivat dieses zu einem Tetrabenzylcyclen
derivat tetramerisiert wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Cyclenderivat [2S-(2α,5α,8α,11α)]-2,5,8,11-
Tetramethyl-1,4,7,10-tetraazacyclododecan ist.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die verwendete Säure para-Toluolsulfonsäure, Methan
sulfonsäure oder Schwefelsäure ist.
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